晶體取向?qū)σ环N單晶鎳基合金高溫蠕變性能的影響

付鑫濤，王文龍，王文成，宋曉明，谷 巍，洪紅倫

(承德石油高等?？茖W(xué)校 a.機(jī)械工程系；b.工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

?

晶體取向?qū)σ环N單晶鎳基合金高溫蠕變性能的影響

付鑫濤a，王文龍b，王文成a，宋曉明a，谷 巍a，洪紅倫a

(承德石油高等?？茖W(xué)校 a.機(jī)械工程系；b.工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

研究了一種鎳基單晶高溫合金CM186LC在兩個晶體取向下的高溫蠕變性能。在不同的溫度壓力條件下，對[001]和[011]取向試樣均進(jìn)行拉伸蠕變試驗，并用掃描電子顯微鏡觀察各試樣斷口的微觀結(jié)構(gòu)特征。蠕變試驗結(jié)果顯示：在750 ℃/700 MPa和900 ℃/320 MPa的蠕變試驗條件下，[001]晶體取向試樣蠕變壽命高于[011]晶體取向試樣，特別是在750 ℃/700 MPa的蠕變試驗條件下，試樣各向異性程度更高。利用掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷口和組織結(jié)構(gòu)表明：在750 ℃/700 MPa試驗條件下，[001]取向試樣斷裂特征為解理型斷裂，[011]取向試樣斷裂特征為剪切斷裂；在900 ℃/320 MPa試驗條件下，兩種取向試樣斷裂特征均為韌性斷裂。由此可見，晶體取向?qū)︽嚮鶈尉Ц邷睾辖餋M186LC的蠕變性能有顯著地影響。

鎳基單晶合金；蠕變試驗；各向異性；斷裂特征

鎳基單晶高溫合金因為其優(yōu)異的高溫性能，主要被應(yīng)用于制造航空發(fā)動機(jī)葉片[1,2]。和普通多晶合金材料不同，單晶合金材料表現(xiàn)出了顯著的各向異性。在工業(yè)應(yīng)用中，葉片的主要受力方向為[001]取向，但是受航空發(fā)動機(jī)葉片復(fù)雜形狀和工作環(huán)境的影響，在葉片局部會產(chǎn)生多個軸向應(yīng)力和多個方向的熱應(yīng)力，為了充分發(fā)揮單晶合金的優(yōu)異高溫性能，研究人員對各種單晶合金材料的各向異性進(jìn)行了大量的研究[1-3]。韓國明等人[4]的研究表明，DD499 單晶高溫合金在高溫條件下，蠕變持久壽命會按照[111]、[001]和[011]的次序降低。趙乃仁，王志輝[5]等人對一種無錸單晶高溫合金的研究表明，溫度對單晶高溫合金材料各向異性的影響顯著。研究對象為一種鎳基單晶高溫合金CM186LC，通過分析其不同取向下蠕變持久壽命和蠕變試驗后試樣斷口斷裂特征，對其各向異性行了研究和分析，為合金CM186LC的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供基礎(chǔ)支持。

1 實驗材料和方法

本實驗所用材料為鎳基單晶高溫合金CM186LC，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：0.070C、0.730Ti、6.000Cr、9.300Co、5.740Al、8.300W、3.400Ta、2.900Re 和 63.560Ni。[001]和[011]取向的單晶鎳基合金試棒采用籽晶法制取，利用電子背散射衍射分析技術(shù)(EBSD)測定晶體取向，選取晶體取向偏離度<7°的合金試棒為試驗材料。試棒材料首先進(jìn)行1 274 ℃/8 h AC(空冷，air cooling)的固溶處理，以產(chǎn)生γ′固溶相，然后進(jìn)行1 080 ℃/4 h+870 ℃/20 hAC的高溫時效處理。將熱處理后的試棒材料加工為蠕變試樣，試樣規(guī)格如圖1所示。在750 ℃/700 MPa和 900 ℃/320 MPa試驗條件下，對[001]和[011]取向試樣均進(jìn)行拉伸蠕變試驗。蠕變試驗結(jié)束后，用掃描電子顯微鏡觀察樣品斷口的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同取向合金熱處理組織

不同取向的單晶高溫合金CM186LC經(jīng)過熱處理后都形成立方體形狀的 γ′相，如圖2 所示。γ′相尺寸為0.45 μm，體積分?jǐn)?shù)為 70%。

2.2 不同取向合金的蠕變持久性能

圖3為不同取向CM186LC合金的蠕變曲線。由圖3可知，兩種試驗條件下CM186LC合金試樣均表現(xiàn)出了明顯的蠕變?nèi)A段特征。[001]取向試樣與[001]取向試樣相比，初始蠕變速率和穩(wěn)態(tài)蠕變速率較低，蠕變壽命較長，顯示了明顯的各向異性。與高溫低應(yīng)力條件相比，中溫高應(yīng)力條件下CM186LC合金顯示了更為明顯的各向異性。以上結(jié)論與韓國明等人[3]對單晶高溫合金DD499的研究結(jié)果一致。

2.3 不同取向合金的斷裂特征

圖4所示為不同溫度、應(yīng)力條件下試樣端口的微觀特征。750 ℃/700 MPa條件下[001]取向試樣斷口分布著許多方形小平面，這些方形平面與四周的斜平面相連(見圖4a))，呈現(xiàn)解理型斷裂特征。根據(jù)Sherry等人[6]對SRR99合金的研究，這些方形小平面位于<001>平面，斜平面位于<111>面上，隨著蠕變的進(jìn)行，變形主要集中于<111>面上，直至斷裂。本研究中，750 ℃/700 MPa條件下[011]取向試樣斷口與拉伸軸成一定角度(見圖4b)，[011]取向試樣在試驗中只有單一滑移系移動，并在滑移過程中斷裂，經(jīng)EBSD測定，[011]取向試樣斷裂面為<111>面。900 ℃/320 MPa條件下兩種取向試樣均明顯存在大量孔洞(見圖4c)和圖4d))，單晶高溫合金高溫破壞首先產(chǎn)生微觀小孔，小孔的逐漸增大、聚集、合并最終導(dǎo)致試樣韌性斷裂[7]。

3 結(jié)論

1)CM186LC合金表現(xiàn)出明顯的各向異性行為。同高溫低應(yīng)力條件相比，各向異性特征在中溫高應(yīng)力的條件下更加明顯。

2)高溫低應(yīng)力和中溫高應(yīng)力條件下，CM186LC合金[001]晶體取向蠕變持久壽命高于 [011] 晶體取向 。

3)750 ℃/700 MPa條件下CM186LC合金[001] 取向斷裂方式為解理型斷裂， [011] 取向斷裂類型為單系滑移引起的剪切斷裂；900 ℃/320 MPa條件下合金兩種晶體取向均出現(xiàn)微孔聚集，導(dǎo)致韌性斷裂。

[1] RC Reed, The superalloys: fundamental and applications[M]. Cambridge:Cambridge University Press，2006.

[2] PL Mao, Y Xin, K Han, et al. Effects of heat treatment and Re-content on the TCP-phase in two Ni-Mo-Cr-Re superalloys[J].Acta Metallurgica Sinica，2009, 22(5): 365-372.

[3] B Wang, C Sun, J Gong, et al. Oxidation behavior of the alloy IC-6 and protective coatings[J]. Corrosion Science, 2004, 46(3)：519-528.

[4] 韓國明, 于金江, 孫曉峰, 等. 一種鎳基單晶高溫合金持久各向異性行為[J]. 稀有金屬材料與工程，2011, 40(4):673-676.

[5] 趙乃仁, 王志輝, 李金國, 等. 一種鎳基單晶高溫合金的各向異性研究[J]. 材料工程, 2008(2): 58-61.

[6] AH Sherry, R Pilkington. The creep fracture of a single-crystal superalloy[J]. Mater Sci Eng A, 1993, 172(1-2): 51-61.

[7] LR Liu, T Jin, NR Zhao, etal. Creep deformation mechanism in a Ni base single crystal superalloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2005, 41(11): 1215-1220.

Effect of Orientation on Creep Behavior of Nickel-Base SingleCrystal Superalloy at High Temperature

FU Xin-taoa, WANG Wen-longb, WANG Wen-chenga, SONG Xiao-minga,GU Weia, HONG Hong-luna

(a.Department of Mechanical Engineering; b.Industrial Technology Center, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

Effect of orientation on the creep behavior of nickel-base single crystal superalloy CM186LC is studied in this paper. The crystal orientation has a significant influence on the creep behavior of nickel-base single crystal superalloy at high temperature. In the condition of 750 ℃/700 MPa and 900 ℃/320 MPa, [001] crystal orientation specimens showed higher creep life to that of the [011] specimens, but in the conditions of 750 ℃/700 MPa, anisotropy is more obvious. As a result of the fracture and structure of SEM, in the condition of 750°C/700MPa, the fracture mode of [001] orientation is the cleavage fracture, while the fracture mode of [011] orientation is pure shear. At high temperature, the fracture mode turns to be microvoid coalescence fracture.

nickel-base single crystal superalloy; creep test; anisotropy; fracture characteristic

2016-11-16

付鑫濤(1986-)，男，河北承德人，助教，碩士，主要從事高溫合金材料的研究，E-mail：fuxintao@qq.com。

TG146

A

1008-9446(2017)03-0025-03